Varme versus temperatur: Hvad er lighederne og forskellene? (med graf)

Folk bruger undertiden udtrykkenevarmeogtemperaturomskifteligt. De forbinder varme med ordethedog forstå temperatur som også relateret til noget "hotness" eller "coldness". Måske vil de sige, at temperaturen på en forårsdag føles helt rigtig, fordi den er lige den rette mængde varme.

I fysik er disse to størrelser imidlertid meget forskellige fra hinanden. De er ikke mål for det samme, og de har ikke de samme enheder, selvom de begge kan informere din forståelse af termiske egenskaber.

For at forstå varme og temperatur på et grundlæggende niveau er det først vigtigt at forstå begrebet intern energi. Mens du måske er bekendt med objekter, der har kinetisk energi på grund af deres bevægelse, eller potentiel energi på grund af deres position inden for et givet objekt kan molekylerne selv også have en form for kinetisk og potentiale energi.

Denne molekylære kinetiske og potentielle energi er adskilt fra det, man kan se, når man ser på f.eks. En mursten. En mursten, der sidder på jorden, ser ud til at være ubevægelig, og du antager måske, at den ikke har nogen kinetisk eller potentiel energi forbundet med den. Og det gør det faktisk ikke som din forståelse af grundlæggende mekanik.

Men selve murstenen består af mange molekyler, der hver for sig gennemgår forskellige typer små bevægelser, som du ikke kan se. Molekylerne kan også opleve potentiel energi på grund af deres nærhed til andre molekyler og de kræfter, der udøves mellem dem. Den samlede interne energi af denne mursten er summen af ​​de kinetiske og potentielle energier af selve molekylerne.

Som du sandsynligvis har lært, er energi bevaret. I tilfælde af at ingen friktion eller spredende kræfter virker på et objekt, bevares også mekanisk energi. Det vil sige, kinetisk energi kan ændre sig til potentiel energi og omvendt, men den samlede forbliver konstant. Når en kraft som friktion virker, kan du dog bemærke, at den samlede mekaniske energi falder. Dette skyldes, at energien tog andre former som lydenergi eller termisk energi.

Når du gnider dine hænder sammen på en kold dag, konverterer du mekanisk energi til termisk energi. Det vil sige, at dine hænders kinetiske energi bevægede sig mod hinanden ændrede form og blev kinetisk energi af molekylerne i dine hænder i forhold til hinanden. Gennemsnittet af denne kinetiske energi i molekylerne i dine hænder er, hvad forskere definerer som temperatur.

Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle i et stof. Bemærk, at det ikke er det samme som stoffets indre energi, fordi det ikke inkluderer den potentielle energi og heller ikke er et mål for den samlede energi i stoffet. I stedet er det den samlede kinetiske energi divideret med antallet af molekyler. Som sådan afhænger det ikke af, hvor meget af noget du har (som total intern energi har), men snarere om hvor meget kinetisk energi det gennemsnitlige molekyle i stoffet bærer rundt.

Temperaturen kan måles i mange forskellige enheder. Blandt disse er Fahrenheit, som er mest almindelig i USA og et par andre steder. På Fahrenheit-skalaen fryser vand ved 32 grader og koger ved 212. En anden almindelig skala er Celsius-skalaen, der bruges mange andre steder i verden. På denne skala fryser vand ved 0 grader og koger ved 100 grader (hvilket giver en ret klar idé om, hvordan denne skala blev udtænkt).

Men den videnskabelige standard er Kelvin-skalaen. Mens størrelsen af ​​en forøgelse på Kelvin-skalaen er den samme som en Celsius-grad, starter Kelvin-skalaen ved en temperatur kaldet absolut nul, hvor alle molekylære bevægelser stopper. Med andre ord starter den ved den koldeste mulige temperatur.

Nul grader Celsius er 273,15 på Kelvin-skalaen. Kelvin-skalaen er med god grund den videnskabelige standard. Antag, at noget er ved 0 grader Celsius. Hvad ville det betyde at sige, at et andet objekt er dobbelt så stort som temperaturen? Ville den vare også være 0 Celsius? Nå på Kelvin-skalaen forårsager denne opfattelse ingen problemer, og det er netop fordi den starter ved absolut nul.

Overvej to stoffer eller genstande ved forskellige temperaturer. Hvad betyder det? Dette betyder, at molekylerne i et af stofferne (den højere temperatur) i gennemsnit er bevæger sig rundt med en større gennemsnitlig kinetisk energi end molekylerne i den lavere temperatur stof.

Hvis disse to stoffer kommer i kontakt, ikke overraskende, begynder energien at gennemsnitliges mellem stofferne, når der opstår mikroskopiske kollisioner. Stoffet, der oprindeligt var ved den højere temperatur, vil afkøle, når det andet stof stiger i temperatur, indtil de begge har samme temperatur. Forskere kalder denne endelige tilstandtermisk ligevægt​.

Den termiske energi, der overføres fra det varmere objekt til det køligere objekt, er hvad forskere kalder varme. Varme er den form for energi, der overføres mellem to materialer, der har forskellige temperaturer. Varme strømmer altid fra materialet med højere temperatur til materialet med lavere temperatur, indtil termisk ligevægt er nået.

Da varme er en form for energi, er SI-enheden varme joule.

Som du har set ved de tidligere definitioner, er varme og temperatur faktisk to forskellige fysiske mål. Dette er blot nogle af deres forskelle:

​De måles i forskellige enheder.SI-enheden for temperatur er Kelvin, og SI-enheden for varme er joule. Kelvin betragtes som en basisenhed, hvilket betyder at den ikke kan opdeles i en kombination af andre grundlæggende enheder. Joule svarer til et kgm²/ s².

​De adskiller sig i deres afhængighed af antallet af molekyler.Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle, hvilket betyder, at det ikke betyder noget, hvor meget af et stof du har, når du taler temperatur. Den mængde varmeenergi, der kan overføres mellem stoffer, afhænger dog meget af, hvor meget af hvert stof du har.

​De er forskellige typer variabler.Temperatur er kendt som en tilstandsvariabel. Det vil sige, det definerer den tilstand, som et stof eller en genstand er i. Varme er derimod en procesvariabel. Den beskriver en proces, der finder sted - i dette tilfælde den energi, der overføres. Det giver ikke mening at tale om varme, når alt er i ligevægt.

​De måles forskelligt.Temperatur måles med et termometer, som typisk er en enhed, der bruger termisk ekspansion til at ændre aflæsningen på en skala. På den anden side måles varmen med et kalorimeter.

Varme og temperatur er ikke helt uafhængige af hinanden, dog:

​De er begge vigtige mængder inden for termodynamik.Undersøgelsen af ​​termisk energi er afhængig af evnen til at måle temperatur samt evnen til at holde styr på varmeoverførsler.

​Varmeoverførsel drives af temperaturforskelle.Når to objekter har forskellige temperaturer, overføres varmeenergi fra den varmere til den køligere, indtil den termiske ligevægt er nået. Som sådan er disse temperaturforskelle drivkraften bag varmeoverførslen.

​De har tendens til at stige og falde sammen.Hvis der tilføres varme til et system, stiger temperaturen. Hvis varmen fjernes fra et system, går temperaturen ned. (En undtagelse herfra sker med faseovergange, i hvilket tilfælde varmeenergi bruges til at forårsage en faseovergang i stedet for en ændring i temperaturen.)

​De er relateret til hinanden ved hjælp af en ligning.VarmeenergiQer relateret til en temperaturændringATvia ligningen Q = mcΔT hvormer stoffets masse ogcer dens specifikke varmekapacitet (det vil sige et mål for den mængde varmeenergi, der kræves for at hæve en enhedsmasse med en grad Kelvin for et bestemt stof.)

Intern energi er den samlede interne kinetiske og potentielle energi eller termiske energi i et materiale. For en ideel gas, hvor potentiel energi mellem molekyler er ubetydelig, intern energiEer givet ved formlen E = 3 / 2nRT hvorner antallet af mol af gassen og den universelle gaskonstantR= 8,3145 J / molK.

Forholdet mellem intern energi og temperatur viser, at ikke ikke overraskende, når temperaturen stiger, termisk energi stiger. Den indre energi bliver også 0 ved absolut 0 Kelvin.

Varme kommer ind i billedet, når du begynder at se på ændringer i intern energi. Den første lov om termodynamik giver følgende forhold:

hvorQer varmen tilsat systemet ogWer det arbejde, systemet udfører. I det væsentlige er dette en erklæring om energibesparelse. Når du tilføjer varmeenergi, øges den interne energi. Hvis systemet fungerer i omgivelserne, falder den interne energi.

Som tidligere nævnt resulterer varmeenergi tilsat til et system typisk i en tilsvarende temperaturstigning, medmindre systemet gennemgår en faseændring. For at se nærmere på dette skal du overveje en isblok, der starter under frysepunktet, da varmeenergi tilføjes med en konstant hastighed.

Hvis der tilføjes varmeenergi kontinuerligt, mens isblokken varmes op til frysning, gennemgår en faseændring for at blive vand og derefter fortsætter med at varme op, indtil den når kogning, hvor den gennemgår en anden faseændring for at blive damp, grafen over temperatur vs. varme vil se ud som følger:

Mens isen er under frysepunktet, er der en lineær sammenhæng mellem varmeenergi og temperatur. Dette er ikke overraskende, som det burde være, givet ligningen Q = mcΔT. Når isen først når frysetemperaturen, skal enhver tilsat varmeenergi imidlertid bruges til at hjælpe den med at skifte fase. Temperaturen forbliver konstant, selvom der stadig tilføjes varme. Ligningen, der relaterer varmeenergi til masse under en faseændring fra fast til væske, er følgende:

hvorL_fer den latente fusionsvarme - en konstant, der relaterer til, hvor meget energi der kræves pr. masseenhed for at forårsage ændringen fra fast til væske.

Så indtil en mængde varme er lig medml_fer tilføjet, forbliver temperaturen konstant.

Når al isen er smeltet, stiger temperaturen igen lineært, indtil den når kogepunktet. Også her sker der en faseændring, denne gang fra væske til gas. Ligningen, der vedrører varme til masse under denne faseændring, er meget ens:

hvorL_ver den latente fordampningsvarme - en konstant, der relaterer til, hvor meget energi der kræves pr. masseenhed for at forårsage skiftet fra væske til gas. Så temperaturen forbliver igen konstant, indtil der er tilføjet nok varmeenergi. Bemærk, at den forbliver konstant i længere tid denne gang. Det er fordiL_ver typisk højere endL_ffor et stof.

Den sidste del af grafen viser igen det samme lineære forhold som før.